NWT9 - Technik und Umwelt
NWT9 - Technik und Umwelt
Einleitung
Technische Systeme erleichtern unseren Alltag, ermöglichen Mobilität, Kommunikation, Energieversorgung, Produktion und medizinische Versorgung. Gleichzeitig benötigen sie Rohstoffe, Energie, Flächen und Infrastruktur. Bei ihrer Herstellung, Nutzung und Entsorgung entstehen Umweltwirkungen und gesellschaftliche Folgen. In diesem aiMOOC untersuchst Du deshalb Technik nicht nur danach, ob sie funktioniert, sondern auch danach, welche Wirkungen sie über ihren gesamten Lebenszyklus entfaltet und wie technische Lösungen verbessert werden können.
Der zentrale Blickwinkel lautet: Technik – Umwelt – Gesellschaft sind miteinander verknüpft. Eine technische Verbesserung kann an einer Stelle Vorteile bringen und an einer anderen Stelle neue Probleme verursachen. Ein Elektroauto verursacht zum Beispiel lokal keine Abgase aus einem Verbrennungsmotor, benötigt aber unter anderem elektrische Energie, Batterierohstoffe und Produktionsanlagen. Eine Solaranlage erzeugt im Betrieb Strom ohne direkte Verbrennung fossiler Brennstoffe, benötigt jedoch Materialien, Herstellungsenergie, Flächen beziehungsweise geeignete Dächer und am Ende ihres Lebenswegs Recyclingprozesse.
Du lernst deshalb, technische Systeme als Teil größerer Stoff-, Energie-, Informations- und Wirkungsketten zu betrachten. Du arbeitest mit Lebenszyklusanalysen, Rohstoffkarten, Emissionsdaten und Fallbeispielen. Außerdem entwickelst Du realistische Verbesserungen und bewertest Zielkonflikte.
Leitfragen
- Technische Systeme: Welche Stoffe, Energien und Informationen benötigt ein technisches System?
- Lebenszyklus: Welche Umweltwirkungen entstehen bei Rohstoffgewinnung, Herstellung, Transport, Nutzung, Reparatur, Wiederverwendung und Entsorgung?
- Rohstoffe: Woher kommen wichtige Materialien wie Kupfer, Lithium, Kobalt, Aluminium oder Seltene Erden?
- Emissionen: Welche Treibhausgase und Schadstoffe entstehen direkt und indirekt?
- Gesellschaft: Wer profitiert von Technik, wer trägt Belastungen und welche Interessen treffen aufeinander?
- Verbesserungen: Wie lassen sich Produkte langlebiger, reparierbarer, energieeffizienter, kreislauffähiger und sozial verträglicher gestalten?
Kompetenzziele für Klasse 9
Nach der Bearbeitung kannst Du
- technische Systeme mit Systemgrenzen, Eingängen, Prozessen, Ausgängen und Rückkopplungen beschreiben,
- Stoff- und Energieflüsse eines Produkts über seinen Lebenszyklus darstellen,
- Rohstoffkarten und Emissionsdaten auswerten,
- direkte und indirekte Umweltwirkungen unterscheiden,
- Wechselwirkungen zwischen Technik, Umwelt, Wirtschaft und Gesellschaft erklären,
- Zielkonflikte erkennen und begründet bewerten,
- Verbesserungsmöglichkeiten entwickeln und anhand nachvollziehbarer Kriterien vergleichen,
- Daten, Diagramme und Medien kritisch auf Aussagekraft, Aktualität und Systemgrenzen prüfen.
Differenzierung G M E
G – grundlegendes Niveau: Du beschreibst technische Abläufe, ordnest Lebenszyklusphasen zu, liest einfache Diagramme ab und nennst nachvollziehbare Vor- und Nachteile.
M – mittleres Niveau: Du erklärst Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge, vergleichst technische Lösungen anhand mehrerer Kriterien und begründest Verbesserungen mit Daten.
E – erweitertes Niveau: Du analysierst Zielkonflikte, hinterfragst Systemgrenzen und Datenquellen, entwickelst begründete Varianten und beurteilst, welche Lösung unter bestimmten Randbedingungen besonders sinnvoll ist.
Technik als System
Ein technisches System besteht nicht nur aus Bauteilen. Es ist in eine Umwelt eingebettet und erfüllt eine Aufgabe. Zur Analyse kannst Du fünf Perspektiven verwenden:
- Eingang: Welche Stoffe, Energien oder Informationen gelangen in das System?
- Prozess: Welche Umwandlungen finden statt?
- Ausgang: Welche Produkte, Abwärme, Abfälle, Emissionen oder Informationen verlassen das System?
- Rückkopplung: Wie wird das System geregelt oder an Veränderungen angepasst?
- Systemgrenze: Welche Teile der Wirklichkeit werden betrachtet und welche bleiben außerhalb der Untersuchung?
Ein Beispiel ist ein Smartphone. In das technische System fließen elektrische Energie, Funkdaten und Eingaben der Nutzerin oder des Nutzers. Im Inneren werden Informationen verarbeitet, gespeichert und übertragen. Gleichzeitig ist das Gerät aber Teil eines viel größeren Systems aus Rohstoffabbau, Bauteilfertigung, Rechenzentren, Mobilfunknetzen, Stromversorgung, Transport, Reparatur, Nutzung und Entsorgung.
G: Benenne fünf Bauteile oder Funktionsbereiche eines Smartphones.
M: Ordne jedem Bauteil mögliche Rohstoffe und Funktionen zu.
E: Erkläre, warum die Umweltwirkung eines Smartphones nicht allein aus dem Stromverbrauch beim Laden bestimmt werden kann.
Stofffluss Energiefluss Informationsfluss
Technische Systeme lassen sich besonders gut verstehen, wenn drei Flüsse getrennt betrachtet werden:
Stofffluss: Materialien werden gewonnen, transportiert, verarbeitet, genutzt, repariert, recycelt oder entsorgt.
Energiefluss: Energie wird für Bergbau, Schmelzen, Produktion, Transport, Betrieb, Datenübertragung und Recycling benötigt.
Informationsfluss: Sensoren, Steuerungen, Software, Daten und Rückmeldungen beeinflussen den Betrieb technischer Systeme.
Diese drei Flüsse hängen zusammen. Ein effizienterer Motor kann weniger Energie benötigen. Zusätzliche Sensorik kann den Energiebedarf weiter senken, benötigt aber selbst Elektronik und Rohstoffe. Eine scheinbar einfache Optimierung kann dadurch neue Material- und Datenströme erzeugen.
Der Lebenszyklus technischer Produkte
Eine Lebenszyklusanalyse betrachtet nicht nur die Nutzungsphase. Typische Abschnitte sind:
- Rohstoffgewinnung: Abbau und Aufbereitung von Erzen, Mineralen, Erdöl, Holz oder anderen Ausgangsstoffen
- Produktion: Herstellung von Materialien, Bauteilen und Endprodukten
- Transport: Wege zwischen Abbau, Verarbeitung, Montage, Handel und Nutzung
- Nutzung: Energieverbrauch, Wartung, Verbrauchsmaterialien und Nutzungsdauer
- Reparatur: Austausch defekter Teile und Verlängerung der Lebensdauer
- Wiederverwendung: Weitergabe oder erneuter Einsatz des Produkts oder einzelner Komponenten
- Recycling: Rückgewinnung geeigneter Materialien
- Entsorgung: Behandlung von Reststoffen, die nicht weiter genutzt werden
Eine Ökobilanz beziehungsweise Life Cycle Assessment untersucht Umweltwirkungen entlang eines festgelegten Lebensweges. Wichtig ist die Systemgrenze. Werden zum Beispiel bei einem Fahrzeug nur die Emissionen während der Fahrt betrachtet, fehlen Herstellung des Fahrzeugs, Produktion des Energieträgers, Infrastruktur, Wartung und Entsorgung. Je nach Fragestellung kann eine engere oder weitere Systemgrenze sinnvoll sein, sie muss aber genannt werden.
Funktionelle Einheit
Damit zwei technische Lösungen fair verglichen werden können, braucht man eine gemeinsame Bezugsgröße. Diese nennt man in der Ökobilanz funktionelle Einheit. Bei Leuchtmitteln könnte sie beispielsweise nicht einfach „eine Lampe“ lauten, sondern eine bestimmte Lichtmenge über eine definierte Nutzungsdauer. Bei Verkehrssystemen könnte die Bezugsgröße eine Person über eine bestimmte Strecke sein.
G: Erkläre mit eigenen Worten, warum „ein Auto gegen ein Fahrrad“ kein vollständiger Vergleich ist.
M: Entwickle eine sinnvolle Bezugsgröße für einen Vergleich von zwei Trinkflaschen.
E: Begründe, wie sich das Ergebnis einer Bewertung verändern kann, wenn Du eine andere Systemgrenze oder funktionelle Einheit wählst.
Rohstoffe und globale Lieferketten
Technische Produkte bestehen aus vielen unterschiedlichen Materialien. Kupfer wird zum Beispiel in Leitungen, Motoren und Elektronik eingesetzt. Lithium, Nickel, Kobalt, Graphit und andere Materialien spielen je nach Batterietyp eine Rolle. Seltene Erden werden unter anderem für leistungsfähige Permanentmagnete verwendet. Silizium ist wichtig für Halbleiter und Photovoltaik.
Rohstoffe sind räumlich ungleich verteilt. Außerdem können Abbau, Verarbeitung und Raffination in unterschiedlichen Ländern stattfinden. Dadurch entstehen globale Lieferketten mit wirtschaftlichen, politischen, sozialen und ökologischen Abhängigkeiten.
Die Karte zeigt, dass die Förderung bestimmter Rohstoffe räumlich stark konzentriert sein kann. Das kann Lieferketten anfällig machen. Gleichzeitig profitieren Förderregionen durch Arbeitsplätze und Einnahmen, können aber auch mit Flächenverbrauch, Wasserbedarf, Abraum, Schadstoffrisiken und sozialen Konflikten belastet werden.
Fallbeispiel Kupferbergbau
Kupfer ist für Stromnetze, Motoren, Elektronik und viele Technologien der Energiewende wichtig. In großen Tagebauen werden sehr große Gesteinsmengen bewegt. Je niedriger der Metallgehalt eines Erzes ist, desto mehr Material muss häufig gefördert, zerkleinert und aufbereitet werden, um eine bestimmte Kupfermenge zu gewinnen.
Mögliche Umweltwirkungen eines Tagebaus sind Flächenveränderungen, Staub, Energiebedarf, Abraum, Wasserbedarf und Veränderungen von Ökosystemen. Gleichzeitig ist Kupfer für viele technische Systeme unverzichtbar. Daraus entsteht ein typischer Zielkonflikt: Mehr Elektrifizierung kann den Bedarf an Metallen erhöhen, obwohl sie helfen soll, fossile Energieträger zu ersetzen.
Fallbeispiel Lithiumgewinnung
Lithium wird vor allem für wiederaufladbare Batterien genutzt. Je nach Lagerstätte und Verfahren unterscheiden sich die Umweltwirkungen deutlich. Bei der Gewinnung aus lithiumhaltigen Salzlösungen in trockenen Regionen sind besonders Wasserhaushalt, Flächennutzung und Auswirkungen auf empfindliche Ökosysteme zu untersuchen.
Datei:Lithium Ponds of Chile's Salar de Atacama (SVS15006).webm
G: Beschreibe, was Du in der Zeitreihe erkennst.
M: Erkläre, warum Wasser in trockenen Regionen ein besonders empfindlicher Umweltfaktor ist.
E: Entwickle Kriterien, mit denen Du zwei unterschiedliche Verfahren der Lithiumgewinnung vergleichen würdest.
Emissionen und Klimawirkung
Technische Systeme verursachen Emissionen an unterschiedlichen Stellen. Direkte Emissionen entstehen am betrachteten Ort, zum Beispiel bei einer Verbrennung. Indirekte Emissionen entstehen außerhalb der unmittelbaren Nutzung, etwa bei Stromerzeugung, Materialherstellung oder Transport.
Treibhausgase werden häufig in CO2-Äquivalenten zusammengefasst. Dadurch lassen sich unterschiedliche Treibhausgase entsprechend ihrer Klimawirkung vergleichbar darstellen.
Die Grafik zeigt, dass Treibhausgasemissionen aus verschiedenen Wirtschaftssektoren stammen. Für die Bewertung technischer Lösungen reicht es deshalb nicht, nur einen einzelnen Sektor zu betrachten. Ein Elektrogerät kann in einem Haushalt wenig Energie verbrauchen, aber in seiner Herstellung material- und energieintensiv sein.
Emissionsdaten für Deutschland als Analyseaufgabe
Für Deutschland werden Treibhausgasemissionen unter anderem nach den Sektoren Energiewirtschaft, Industrie, Gebäude, Verkehr, Landwirtschaft sowie Abfallwirtschaft und Sonstiges erfasst. Für das Jahr 2024 wurden insgesamt rund 650 Millionen Tonnen Treibhausgase berichtet. Der Verkehr lag dabei bei rund 144 Millionen Tonnen CO2-Äquivalenten, der Gebäudesektor bei rund 100 Millionen Tonnen.
G: Lies ab, welche Sektoren besonders große Beiträge leisten.
M: Erkläre zwei technische Maßnahmen, die Emissionen in einem dieser Sektoren senken könnten.
E: Prüfe bei Deinen Maßnahmen, ob Umweltwirkungen in andere Lebenszyklusphasen oder Länder verlagert werden könnten.
Technik und Gesellschaft
Technik verändert nicht nur Umweltbedingungen, sondern auch Gesellschaft. Neue Technologien können Sicherheit, Gesundheit, Komfort und Teilhabe verbessern. Sie können aber auch Arbeitsplätze verändern, neue Abhängigkeiten schaffen, Kosten verlagern oder einzelne Gruppen stärker belasten.
Bei einer Technikfolgenabschätzung werden deshalb verschiedene Perspektiven betrachtet:
- Umwelt: Ressourcenbedarf, Emissionen, Flächenverbrauch, Wasser, Biodiversität und Abfälle
- Wirtschaft: Kosten, Versorgungssicherheit, Arbeitsplätze, Innovation und Wettbewerbsfähigkeit
- Gesellschaft: Gesundheit, Gerechtigkeit, Teilhabe, Akzeptanz und Lebensqualität
- Technik: Funktion, Effizienz, Zuverlässigkeit, Sicherheit, Reparierbarkeit und Skalierbarkeit
- Politik: Regeln, Standards, Infrastruktur, Förderung und Verantwortung
Eine technische Lösung ist deshalb selten einfach „gut“ oder „schlecht“. Sie muss in Bezug auf Ziele, Randbedingungen und Alternativen bewertet werden.
Beispiel Smartphone und Elektroschrott
Elektroaltgeräte enthalten wertvolle Materialien, aber teilweise auch problematische Stoffe. Werden sie fachgerecht gesammelt und behandelt, können Metalle zurückgewonnen und Schadstoffe kontrolliert werden. Werden Geräte dagegen unsachgemäß zerlegt oder verbrannt, können Mensch und Umwelt gefährdet werden.
Ein besonders wirksamer Ansatz ist häufig, Produkte möglichst lange zu nutzen. Ein Gerät, das weiter genutzt, repariert oder weitergegeben wird, muss nicht sofort durch ein neues ersetzt werden. Recycling bleibt wichtig, kann aber nicht alle Materialien verlustfrei zurückgewinnen.
Video Lithium-Ionen-Akku
Das folgende Video erklärt die Funktionsweise eines Lithium-Ionen-Akkus und stellt einen Zusammenhang zwischen Batterietechnik und Rohstofffragen her.
Beobachtungsauftrag G: Notiere drei Bestandteile oder Vorgänge, die für die Funktion des Akkus wichtig sind.
Beobachtungsauftrag M: Trenne technische Funktionsweise und Umweltfolgen in zwei Spalten.
Beobachtungsauftrag E: Formuliere zwei Fragen, die das Video für eine vollständige Lebenszyklusbewertung noch nicht beantwortet.
Von der linearen zur zirkulären Wirtschaft
In einem linearen Modell lautet die Grundidee vereinfacht: Rohstoff gewinnen, Produkt herstellen, nutzen und entsorgen. Eine Kreislaufwirtschaft versucht dagegen, Produkte, Bauteile und Materialien möglichst lange im Nutzungssystem zu halten.
Wichtige Strategien sind:
- Vermeidung: unnötige Produkte oder Materialmengen vermeiden
- Langlebigkeit: Produkte für lange Nutzung auslegen
- Reparatur: defekte Teile austauschbar machen
- Wiederverwendung: Produkte oder Bauteile erneut einsetzen
- Aufarbeitung: gebrauchte Produkte technisch überarbeiten
- Recycling: Materialien als Sekundärrohstoffe zurückgewinnen
Die Reihenfolge ist bedeutsam: Eine Reparatur erhält häufig mehr bereits investierte Arbeit, Energie und Material als ein vollständiges Zerlegen und Recycling. Deshalb sollte Recycling nicht automatisch als beste Lösung angesehen werden.
Design for Repair und Design for Recycling
Ein Produkt lässt sich leichter reparieren, wenn es
- mit lösbaren Verbindungen statt unnötig verklebten Gehäusen aufgebaut ist,
- Ersatzteile verfügbar sind,
- Akkus und Verschleißteile austauschbar sind,
- Diagnose und Demontage ohne Spezialverfahren möglich sind,
- Reparaturanleitungen vorhanden sind.
Ein Produkt lässt sich leichter recyceln, wenn Materialarten erkennbar und gut trennbar sind, problematische Stoffe vermieden werden und Bauteile sortenrein zerlegt werden können.
G: Nenne zwei Merkmale eines reparaturfreundlichen Produkts.
M: Erkläre den Unterschied zwischen Reparaturfreundlichkeit und Recyclingfreundlichkeit.
E: Zeige an einem Beispiel, dass beide Ziele miteinander in Konflikt geraten können.
Effizienz Suffizienz Konsistenz
Zur Verbesserung technischer Systeme werden oft drei Strategien unterschieden:
Effizienz bedeutet, dieselbe Funktion mit weniger Energie oder Material zu erreichen. Beispiel: Eine effizientere Beleuchtung liefert dieselbe Lichtmenge mit geringerem Strombedarf.
Suffizienz bedeutet, den Umfang der Nutzung oder den Bedarf zu hinterfragen. Beispiel: Ein Gerät länger nutzen oder unnötige Fahrten vermeiden.
Konsistenz bedeutet, Stoff- und Energieströme so zu gestalten, dass sie besser mit natürlichen oder technischen Kreisläufen vereinbar sind. Beispiel: erneuerbare Energie einsetzen oder Materialien kreislauffähig gestalten.
Die Strategien ergänzen sich. Effizienz allein kann durch steigende Nutzung teilweise wieder aufgehoben werden. Dieses Phänomen wird als Rebound-Effekt bezeichnet.
Rebound-Effekt
Wenn eine Technik effizienter und dadurch günstiger oder bequemer wird, kann sie häufiger genutzt werden. Dann fällt die tatsächliche Einsparung kleiner aus als technisch möglich.
Beispiel: Ein sparsameres Fahrzeug benötigt pro Kilometer weniger Energie. Wenn dadurch aber deutlich mehr Kilometer gefahren werden, sinkt der Gesamtenergieverbrauch möglicherweise weniger stark als erwartet.
G: Beschreibe das Beispiel mit eigenen Worten.
M: Erfinde ein zweites Beispiel aus Deinem Alltag.
E: Entwickle eine Maßnahme, mit der ein Rebound-Effekt verringert werden könnte.
Bewertungsmethoden für technische Lösungen
Eine technische Verbesserung sollte nicht nur nach einem einzigen Kriterium beurteilt werden. Sinnvoll ist eine Kriterienmatrix.
| Kriterium | Leitfrage | Beispiel für einen messbaren Indikator |
|---|---|---|
| Funktion | Erfüllt die Lösung die Aufgabe zuverlässig? | Wirkungsgrad, Leistung, Lebensdauer |
| Ressourcen | Wie viele Primärrohstoffe werden benötigt? | Materialmasse, Recyclinganteil |
| Energie | Wie viel Energie wird über den Lebenszyklus benötigt? | kWh pro funktioneller Einheit |
| Klima | Welche Treibhausgasemissionen entstehen? | kg CO2-Äquivalente |
| Reparatur | Wie einfach kann ein Defekt behoben werden? | Zeitaufwand, Zahl lösbarer Verbindungen |
| Kreislauffähigkeit | Wie gut können Bauteile oder Materialien erneut genutzt werden? | Wiederverwendungs- oder Recyclinganteil |
| Gesellschaft | Welche Gruppen profitieren oder werden belastet? | Arbeitsbedingungen, Kosten, Zugänglichkeit |
| Sicherheit | Welche Risiken bestehen? | Unfallrisiko, Schadstoffrisiko |
Wichtig: Eine Punktebewertung wirkt objektiv, enthält aber Wertentscheidungen. Wenn Klimawirkung doppelt so stark gewichtet wird wie Anschaffungskosten, verändert sich das Ergebnis. Deshalb müssen Gewichtungen begründet werden.
Verbesserungsmöglichkeiten entwickeln
Realistische Verbesserungen setzen an unterschiedlichen Stellen des Lebenszyklus an.
Rohstoffgewinnung verbessern
Mögliche Ansätze sind strengere Umweltstandards, geringerer Wasser- und Energieverbrauch, bessere Rückgewinnung von Begleitmetallen, sichere Rückhaltung von Abraum und Prozesswasser, Renaturierung sowie transparente Lieferketten.
Eine wichtige Grenze bleibt: Auch verbesserter Bergbau verändert Landschaft und Stoffströme. Deshalb gehört zu einer nachhaltigen Strategie auch, den Bedarf an Primärrohstoffen zu verringern.
Produkte besser konstruieren
Mögliche Verbesserungen sind leichtere Bauweisen, weniger Materialarten, modulare Bauweise, austauschbare Akkus, langlebige Bauteile, standardisierte Verbindungselemente und Softwareunterstützung über eine lange Nutzungsdauer.
Eine Verbesserung darf jedoch die Funktion und Sicherheit nicht unvertretbar verschlechtern. Ein leichteres Gehäuse wäre beispielsweise problematisch, wenn dadurch die Lebensdauer stark sinkt.
Nutzung verbessern
Nutzungsphase und Nutzerverhalten können einen großen Einfluss haben. Mögliche Maßnahmen sind Energiesparmodi, bedarfsgerechte Steuerung, gemeinschaftliche Nutzung, Wartung, Reparatur und längere Nutzungszeiten.
Kreisläufe schließen
Produkte können durch Rücknahmesysteme, Wiederverwendung, Ersatzteilversorgung, Aufarbeitung und hochwertiges Recycling länger im Kreislauf bleiben. Dabei ist entscheidend, Materialien möglichst sortenrein und mit geringen Verlusten zurückzugewinnen.
Fallstudie Smartphone
Ein Smartphone eignet sich besonders gut für eine Lebenszyklusbetrachtung, weil es viele technische Funktionen in einem kleinen Gerät verbindet.
Rohstoffe: Metalle, Kunststoffe, Glas und Batteriematerialien stammen aus unterschiedlichen Lieferketten.
Produktion: Halbleiter, Display, Akku, Kameras und Leiterplatten werden in hoch spezialisierten Prozessen hergestellt.
Transport: Bauteile und Endprodukte legen oft weite Wege zurück.
Nutzung: Das Gerät selbst benötigt elektrische Energie. Zusätzlich verursacht die digitale Infrastruktur Energiebedarf, etwa durch Mobilfunknetze und Rechenzentren.
Lebensende: Wiederverwendung, Reparatur, Rücknahme und Recycling entscheiden darüber, wie lange Produkt und Materialien genutzt werden.
Verbesserungsentwurf Smartphone
| Maßnahme | Erwarteter Vorteil | Möglicher Zielkonflikt |
|---|---|---|
| austauschbarer Akku | längere Nutzungsdauer | Gehäuse kann aufwendiger abzudichten sein |
| modulare Bauweise | leichtere Reparatur | mehr Steckverbindungen und Bauraum möglich |
| längere Softwareunterstützung | Gerät bleibt länger nutzbar | Hersteller muss länger Pflege leisten |
| Rezyklate einsetzen | weniger Primärrohstoffe | Reinheit und Materialeigenschaften müssen gesichert werden |
| Rücknahmesystem | höhere Erfassungsquote | Logistik und Sortierung verursachen Aufwand |
| kleinere Materialvielfalt | einfacheres Recycling | Design und Funktion können eingeschränkt werden |
G: Wähle zwei Maßnahmen und erkläre ihren Vorteil.
M: Vergleiche drei Maßnahmen anhand von Umweltwirkung, Kosten und technischer Umsetzbarkeit.
E: Entwickle ein Smartphone-Konzept, bei dem Du mindestens vier Kriterien gleichzeitig optimierst. Benenne auch einen verbleibenden Zielkonflikt.
Fallstudie Mobilität
Mobilität ist ein Beispiel für ein technisches System mit vielen Ebenen. Nicht nur der Antrieb eines Fahrzeugs ist wichtig, sondern auch Fahrzeugmasse, Besetzungsgrad, Fahrleistung, Infrastruktur, Energiequelle, Herstellung, Wartung und Lebensdauer.
Ein Elektrofahrzeug kann im Betrieb effizienter sein als ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Seine Gesamtbewertung hängt aber unter anderem von Batteriegröße, Strommix, Herstellungsaufwand, Nutzungsdauer und Fahrzeugklasse ab. Gleichzeitig können öffentlicher Verkehr, Fahrrad, Fußverkehr, geteilte Fahrzeuge oder vermiedene Wege den Ressourcenbedarf pro Person deutlich verändern.
Szenario Mobilität 2035
Eine Gemeinde möchte ihre Verkehrsemissionen und den Flächenverbrauch reduzieren. Zur Auswahl stehen mehrere Maßnahmen: Ausbau des Radwegenetzes, bessere Busverbindungen, Ladeinfrastruktur für Elektroautos, Carsharing und eine neue Umgehungsstraße.
G-Auftrag: Ordne jeder Maßnahme einen möglichen Vorteil und einen möglichen Nachteil zu.
M-Auftrag: Entwickle eine Kombination aus drei Maßnahmen und begründe, warum sie besser sein könnte als nur eine Einzelmaßnahme.
E-Auftrag: Erstelle eine Bewertungsmatrix mit mindestens fünf Kriterien und begründe die Gewichtung. Prüfe anschließend, wie sich das Ergebnis ändert, wenn ein Kriterium doppelt gewichtet wird.
Fallstudie Energieversorgung
Energiesysteme bestehen aus Erzeugung, Netzen, Speichern, Verbrauchern und Steuerung. Erneuerbare Energiequellen wie Wind und Sonne verursachen im Betrieb keine direkten CO2-Emissionen aus Verbrennung. Für Anlagenbau, Netze und Speicher werden jedoch Materialien und Energie benötigt.
Eine nachhaltige Energieversorgung muss deshalb gleichzeitig
- Treibhausgasemissionen senken,
- Versorgungssicherheit gewährleisten,
- Netze und Speicher weiterentwickeln,
- Materialbedarf berücksichtigen,
- Natur- und Flächenschutz beachten,
- gesellschaftliche Akzeptanz einbeziehen.
Interaktives Szenario Schulenergie
Deine Schule möchte ihren Energieverbrauch und ihre Treibhausgasemissionen senken. Das Budget reicht nicht für alle Maßnahmen gleichzeitig.
| Option | Möglicher Nutzen | Zu prüfende Nebenwirkung |
|---|---|---|
| LED-Beleuchtung | geringerer Stromverbrauch | Herstellung neuer Leuchten und Entsorgung alter Systeme |
| Photovoltaik auf dem Dach | lokale erneuerbare Stromerzeugung | Materialbedarf, Dachstatik, zeitlich schwankende Erzeugung |
| bessere Dämmung | geringerer Heizenergiebedarf | Materialaufwand und Baukosten |
| intelligente Heizungsregelung | bedarfsgerechter Betrieb | Sensorik, Daten, Wartung |
| Energiesparregeln | geringe Investitionskosten | Wirkung hängt vom Verhalten ab |
G: Wähle zwei Maßnahmen und begründe sie.
M: Erstelle eine Reihenfolge für die Umsetzung und begründe sie mit Kosten, Wirkung und Lebensdauer.
E: Entwickle ein Maßnahmenpaket und ergänze Messgrößen, mit denen Du nach einem Jahr überprüfen kannst, ob es erfolgreich war.
Interaktives Szenario Rohstoffkrise
Stell Dir vor, ein wichtiger Batterierohstoff wird plötzlich knapp und deutlich teurer. Eine Firma, die stationäre Energiespeicher herstellt, muss reagieren.
Mögliche Strategien sind kleinere Speicher, alternative Batterietechnik, Reparatur und Aufarbeitung alter Module, stärkere Rückgewinnung von Rohstoffen, neue Lieferanten oder ein verändertes Geschäftsmodell.
G: Nenne zwei Reaktionen und beschreibe ihre Wirkung.
M: Unterscheide kurzfristige und langfristige Maßnahmen.
E: Entwickle eine Strategie, die Versorgungssicherheit, Umweltwirkung, Kosten und gesellschaftliche Verantwortung gleichzeitig berücksichtigt.
Interaktives Szenario Produktentscheidung
Eine Familie benötigt eine Waschmaschine. Zur Wahl stehen ein günstiges Modell mit höherem Energieverbrauch, ein teureres effizienteres Modell und ein generalüberholtes Gebrauchtgerät.
G: Vergleiche Anschaffungspreis, Energieverbrauch und erwartete Nutzungsdauer.
M: Ergänze Reparierbarkeit, Transport, Garantie und Materialaufwand.
E: Entwickle eine funktionelle Einheit für den Vergleich und erkläre, welche Daten Du noch benötigst, bevor Du eine belastbare Entscheidung treffen kannst.
Daten richtig lesen
Diagramme und Karten sind keine neutrale Abbildung der Welt. Sie beruhen auf Auswahlentscheidungen.
Achte beim Auswerten auf:
- Datenquelle und Jahr
- geografischen Raum
- Einheit
- Systemgrenze
- Bezugsgröße
- fehlende Daten
- absolute und relative Werte
- Skalierung der Achsen
- Unsicherheiten
- Interessen der herausgebenden Organisation
Eine Karte zur Kobaltproduktion zeigt zum Beispiel Fördermengen, aber nicht automatisch Arbeitsbedingungen, Wasserverbrauch, Biodiversitätswirkungen oder den Anteil des recycelten Materials.
G M E Datenkompetenz
G: Beschreibe, was direkt aus einem Diagramm abgelesen werden kann.
M: Formuliere zwei Aussagen, die sich aus den Daten begründen lassen, und zwei Aussagen, die zusätzliche Informationen benötigen.
E: Prüfe, ob eine Grafik durch Auswahl von Zeitraum, Einheit oder Darstellung eine bestimmte Interpretation begünstigen könnte.
Technikfolgen und Zielkonflikte
Technische Entscheidungen führen oft zu Zielkonflikten. Typische Beispiele sind:
- Energieeffizienz und Anschaffungskosten
- Leichtbau und Reparierbarkeit
- Datennutzung und Datenschutz
- Rohstoffabbau und Naturschutz
- Erneuerbare Energie und Flächennutzung
- Recycling und Energieaufwand
- Langlebigkeit und technischer Fortschritt
- Globalisierung und Versorgungssicherheit
Zielkonflikte bedeuten nicht, dass keine Entscheidung möglich ist. Sie machen deutlich, dass Kriterien abgewogen werden müssen.
Realistische Verbesserungen statt Scheinlösungen
Eine Verbesserung ist nur dann überzeugend, wenn sie technisch umsetzbar ist, die Wirkung messbar macht und keine wichtigen Nebenwirkungen ignoriert.
Eine gute Verbesserungsidee beantwortet daher:
- Welches konkrete Problem soll gelöst werden?
- Welche Systemgrenze wird betrachtet?
- Welche technische Änderung wird vorgeschlagen?
- Welche Wirkung wird erwartet?
- Welche Daten würden diese Wirkung bestätigen?
- Welche neuen Probleme könnten entstehen?
- Welche Akteure müssten mitwirken?
- Ist die Lösung unter realistischen Kosten- und Zeitbedingungen umsetzbar?
Beispiel: „Mehr Recycling“ ist noch keine vollständige Verbesserungsidee. Besser wäre: „Das Gehäuse eines Geräts wird mit lösbaren Schraubverbindungen und klar gekennzeichneten Kunststoffarten konstruiert, damit Demontage und sortenreine Trennung erleichtert werden. Der Erfolg wird anhand der Demontagezeit und der tatsächlich zurückgewonnenen Materialfraktionen überprüft.“
Daten und Quellenhinweise
Für die fachliche Vertiefung eignen sich unter anderem Umweltbundesamt, IPCC, IEA, Wikimedia Commons sowie wissenschaftliche Veröffentlichungen zur Ökobilanz und Technikfolgenabschätzung. Bei aktuellen Emissions- und Rohstoffdaten solltest Du immer das Datenjahr prüfen.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was beschreibt eine Lebenszyklusbetrachtung am besten? (Die Umweltwirkungen eines Produkts über mehrere Phasen von Rohstoffgewinnung bis Lebensende) (!Nur den Stromverbrauch während der Nutzung) (!Nur die Kosten beim Kauf) (!Nur die Recyclingphase)
Warum ist eine Systemgrenze wichtig? (Sie legt fest welche Prozesse in eine Untersuchung einbezogen werden) (!Sie bestimmt die Farbe eines Produkts) (!Sie ersetzt alle Messdaten) (!Sie gibt ausschließlich den Verkaufspreis an)
Was ist eine funktionelle Einheit? (Eine gemeinsame Bezugsgröße für den Vergleich technischer Lösungen) (!Eine einzelne Schraube in einem Produkt) (!Ein festgelegter Rohstoffpreis) (!Eine technische Sicherheitsnorm)
Welche Aussage beschreibt einen Zielkonflikt? (Eine Maßnahme verbessert ein Ziel und kann gleichzeitig ein anderes verschlechtern) (!Alle Kriterien führen immer zur gleichen Entscheidung) (!Eine technische Lösung hat grundsätzlich keine Nebenwirkungen) (!Nur wirtschaftliche Kriterien dürfen berücksichtigt werden)
Welche Strategie verlängert die Nutzung eines defekten Geräts unmittelbar? (Reparatur) (!Verbrennung) (!Deponierung) (!Neuproduktion)
Was bedeutet Effizienz? (Eine Funktion mit weniger Energie oder Material zu erfüllen) (!Ein Produkt möglichst schnell zu ersetzen) (!Nur mehr Rohstoffe einzusetzen) (!Jede Nutzung vollständig zu vermeiden)
Was beschreibt den Rebound-Effekt? (Ein Teil einer möglichen Einsparung wird durch zusätzliche Nutzung wieder aufgehoben) (!Jedes Recycling gewinnt alle Rohstoffe vollständig zurück) (!Eine technische Verbesserung senkt immer automatisch den Gesamtverbrauch) (!Rohstoffe entstehen durch Nutzung neu)
Welche Größe wird häufig verwendet um unterschiedliche Treibhausgase vergleichbar zu machen? (CO2 Äquivalente) (!Volt) (!Hertz) (!Pascal)
Warum kann Recycling allein den Rohstoffverbrauch nicht vollständig lösen? (Weil Sammlung Trennung und Rückgewinnung nicht verlustfrei sind und weiterhin Materialbedarf besteht) (!Weil Recycling grundsätzlich keine Energie benötigt) (!Weil Altgeräte keine Metalle enthalten) (!Weil Rohstoffgewinnung immer ohne Umweltwirkungen erfolgt)
Welche Verbesserung passt besonders zu einer Kreislaufwirtschaft? (Produkte langlebig reparierbar und wiederverwendbar gestalten) (!Produkte möglichst schnell austauschen) (!Materialarten absichtlich untrennbar vermischen) (!Defekte Geräte sofort verbrennen)
Memory
| Ökobilanz | Umweltwirkungen über den Lebenszyklus |
| Systemgrenze | Umfang der betrachteten Prozesse |
| Effizienz | Gleiche Funktion mit geringerem Einsatz |
| Suffizienz | Bedarf und Nutzungsumfang hinterfragen |
| Kreislaufwirtschaft | Produkte und Materialien möglichst lange nutzen |
| Reboundeffekt | Einsparung wird teilweise durch Mehrnutzung aufgehoben |
| Reparatur | Funktionsfähigkeit eines Produkts wiederherstellen |
| Sekundärrohstoff | Aus Rückgewinnung erneut eingesetztes Material |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Rohstoffgewinnung | Anfang vieler technischer Stoffketten |
| Herstellung | Materialien werden zu Bauteilen und Produkten verarbeitet |
| Nutzung | Produkt erfüllt seine technische Funktion |
| Reparatur | Defekte Bauteile werden instand gesetzt |
| Recycling | Materialien werden als Rohstoffe zurückgewonnen |
Kreuzworträtsel
| Lebenszyklus | Wie heißt die Abfolge von Rohstoffgewinnung Herstellung Nutzung und Lebensende eines Produkts? |
| Recycling | Wie heißt die Rückgewinnung von Materialien aus Abfällen? |
| Rohstoff | Wie heißt ein natürlich oder technisch gewonnener Ausgangsstoff für Produkte? |
| Emissionen | Wie heißen Stoffe oder Energien die an die Umwelt abgegeben werden? |
| Reparatur | Wie heißt die Wiederherstellung der Funktionsfähigkeit eines defekten Produkts? |
| Kreislaufwirtschaft | Wie heißt ein Wirtschaftsprinzip bei dem Produkte und Materialien möglichst lange genutzt werden? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht G-Niveau
- Lebenszyklusposter: Wähle ein Alltagsprodukt und gestalte ein Poster mit Rohstoffgewinnung, Herstellung, Transport, Nutzung, Reparatur und Lebensende.
- Bauteilanalyse: Untersuche ein ausgedientes ungefährliches Gerät von außen und dokumentiere Materialien, lösbare Verbindungen und mögliche Reparaturstellen, ohne es unter Spannung zu öffnen.
- Emissionsdiagramm: Wähle eine geprüfte Emissionsgrafik und schreibe fünf Aussagen auf, die direkt aus der Darstellung ablesbar sind.
- Produktvergleich: Vergleiche zwei Trinkflaschen, Lampen oder Schulmaterialien anhand von mindestens vier Nachhaltigkeitskriterien.
Standard M-Niveau
- Rohstoffsteckbrief: Erstelle einen Steckbrief zu Kupfer, Lithium, Kobalt oder einer Seltenen Erde mit Vorkommen, technischer Nutzung, Umweltwirkungen und Recyclingmöglichkeiten.
- Reparaturcheck: Entwickle einen Reparierbarkeitscheck mit mindestens acht Kriterien und teste ihn an zwei Produkten.
- Schulenergieanalyse: Miss oder recherchiere typische Energieverbräuche an Deiner Schule und entwickle drei realistische Einsparmaßnahmen mit Begründung.
- Nutzungsdauerstudie: Befrage mindestens zehn Personen dazu, wie lange sie Smartphones oder andere Elektrogeräte nutzen, und werte die Ergebnisse anonymisiert aus.
Schwer E-Niveau
- Ökobilanzvergleich: Entwickle eine vereinfachte Lebenszyklusbewertung für zwei technische Lösungen und begründe Systemgrenze, funktionelle Einheit und Gewichtung der Kriterien.
- TechnikfolgenDebatte: Organisiere eine Debatte zu einer Rohstoffmine, Windenergieanlage, Batterieproduktion oder Verkehrslösung mit mindestens vier Interessengruppen.
- RedesignProjekt: Entwirf ein vorhandenes Produkt so um, dass es langlebiger und reparierbarer wird, und dokumentiere mindestens zwei neue Zielkonflikte.
- KommunaleTechnikstrategie: Entwickle für eine fiktive Gemeinde ein Maßnahmenpaket zu Energie, Mobilität oder Kreislaufwirtschaft und begründe es mit Daten, Kosten, Umweltwirkung und gesellschaftlichen Folgen.
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Lernkontrolle
- Systemanalyse: Analysiere einen Wasserkocher, ein Smartphone oder ein Fahrrad als technisches System. Beschreibe Stoff-, Energie- und Informationsflüsse und begründe eine sinnvolle Systemgrenze.
- Lebenszyklusvergleich: Zwei Produkte erfüllen dieselbe Funktion, unterscheiden sich aber in Herstellung, Energieverbrauch und Lebensdauer. Entwickle eine funktionelle Einheit und erkläre, welche Daten für eine faire Bewertung nötig sind.
- Zielkonfliktanalyse: Eine Gemeinde plant Windenergieanlagen. Untersuche mindestens drei Umwelt- oder Gesellschaftsziele, die sich gegenseitig unterstützen oder widersprechen können, und entwickle einen begründeten Lösungsvorschlag.
- Rohstoffstrategie: Ein Unternehmen möchte seinen Bedarf an Primärrohstoffen senken. Vergleiche Reparatur, Wiederverwendung, Recycling, Materialeinsparung und alternative Werkstoffe hinsichtlich ihrer Wirkung.
- Datenkritik: Du erhältst ein Diagramm mit Emissionsdaten. Erkläre, welche Aussagen direkt möglich sind und welche zusätzlichen Informationen zu Systemgrenze, Zeitraum und Bezugsgröße benötigt werden.
- Verbesserungsbewertung: Entwickle drei Verbesserungen für ein technisches Produkt und bewerte sie anhand von mindestens fünf Kriterien. Begründe, welche Variante Du empfehlen würdest und welche Nachteile verbleiben.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis zu NWT9 - Technik und Umwelt ist wichtig, dass Du nicht nur Fachbegriffe kennst, sondern Zusammenhänge darstellen und technische Entscheidungen begründen kannst.
- Du kannst ein technisches System mit Ein- und Ausgängen sowie Systemgrenze beschreiben.
- Du kannst den Lebenszyklus eines Produkts vollständig darstellen.
- Du kannst Rohstoffkarten und Emissionsdaten sachgerecht auswerten.
- Du kannst direkte und indirekte Umweltwirkungen unterscheiden.
- Du kannst technische, ökologische, wirtschaftliche und gesellschaftliche Kriterien verbinden.
- Du kannst Zielkonflikte erklären.
- Du kannst realistische Verbesserungen entwickeln.
- Du kannst Deine Bewertung mit Daten und nachvollziehbaren Kriterien begründen.
- Du kannst Grenzen einer Untersuchung benennen und fehlende Informationen erkennen.
OERs zum Thema
Verknüpfte Lernbereiche